Введение к работе
Объектом изучения в данной работе являются бомбы Эллермана или усы. Эти объекты наблюдаются в быстро развивающихся активных областях (АО) в виде протяженных и очень узких эмиссионных крыльев возле сильных абсорбционных линий при отсутствии значительных возмущений в ядре линии. На фильтрограммах в крыльях линий На бомбы Эллермана видны в виде ярких точек размером не более 5". Считается, что они вызваны быстрыми процессами выделения энергии в участках атмосферы Солнца, практически сопоставимых по размерам с пространственным разрешением современных солнечных телескопов.
Актуальность работы.
В последнее время возрос интерес к изучению усов. Это с одной стороны связано с проблемой нагрева хромосферы и выяснения роли мелкомасштабных явлений в энергетическом балансе солнечной атмосферы. С другой стороны, интерес к этим объектам обусловлен тем, что белые вспышки II типа также демонстрируют яркие эмиссионные крылья при практически невозмущенном ядре линии На. Таким образом, изучение особенностей возникновения усов может внести существенный вклад в понимание механизмов нагрева и структурных процессов в хромосфере.
Морфология, эволюция и динамика усов в настоящее время изучены достаточно хорошо, тем не менее, природа бомб Эллермана пока остается недостаточно ясной, что дает основания для существования двух прямо противоположных взглядов на источники возникновения этого явления.
Одни исследователи считают, что преобладающую роль в возникновении бомб Эллермана играют механизмы, имеющие тепловую природу. Разогрев за счет омической диссипации может происходить как в "капле" плазмы [1], так и в месте пересоединения магнитных силовых линий [2]. Другие исследователи в качестве механизма возбуждения усов предполагают бомбардировку хромосферы пучками энергичных частиц, которые могут приходить как из короны, так и генерироваться и впрыскиваться непосредственно в хромосфере [3]. В случае, если усы возникают при бомбардировке пучками энергичных частиц, спектральная линия должна нести информацию об ударной линейной поляризации. Согласно результатам теоретического исследования свойств ударной поляризации в линии На [4], возникающей в солнечной вспышке из-за
воздействия на хромосферу пучков электронов, профили линии На будут показывать линейную поляризацию от 2 до 25% только в ядре линии. Крылья же будут полностью деполяризованы тепловыми столкновениями. При отсутствии пучка электронов линейная поляризация также может наблюдаться( из-за излучения хромосферы ), но она не будет превышать 2-3%. Таким образом, спектро-поляризационные наблюдения усов являются независимым диагностическим инструментом для выявления механизма возникновения усов.
За всю историю исследования бомб Эллермана наблюдениям поляризации посвящено меньше десятка публикаций, выполненных тремя группами исследователей. Результаты, полученные в них, достаточно противоречивы. Зачастую во время этих исследований определялся один из параметров Стокса, что не позволяло получать адекватное значение степени поляризации и не давало возможности измерить азимут плоскости поляризации.
Цель работы заключается в экспериментальной оценке возможных механизмов возникновения бомб Эллермана на основании спектро-поляриметрических наблюдений на БСВТ.
В связи с этим решались конкретные задачи:
-
Получение спектро- поляриметрических наблюдений статистически значимого числа бомб Эллермана в разное время на разном расстоянии от центра диска Солнца.
-
Исследование профилей интенсивности и параметров Стокса Q и U в усах.
-
Анализ степени поляризации и азимута плоскости поляризации в ядре линии водорода На в бомбах Эллермана.
-
Проведение анализа спектро - поляриметрических свойств в течение жизни усов, используя длительные серии наблюдений усов.
Для выполнения поставленных задач автору необходимо было освоить методику проведения спектро- поляриметрических наблюдений на спектрографе Большого солнечного вакуумного телескопа, создать комплекс программ для обработки спектро- поляриметрических наблюдений.
Научная новизна работы:
Получено достоверное свидетельство существования бомб Эллермана, у которых поляризация наблюдается в центре линии в результате исследования статистически значимой группы (175 объектов).
Построена зависимость степени поляризации от азимута плоскости поляризации для каждой длины волны ( с шагом около 0.02 А) в ядре линии На для нескольких усов в течение их жизни. Обнаружено существование связи между максимальной за все время наблюдений поляризацией и распределением азимута плоскости поляризации вдоль дисперсии. Показано, что в момент, когда достигается максимальное значение степени поляризации Р, азимут плоскости поляризации у остается практически постоянным вдоль ядра линии На. С уменьшением значения Р увеличивается разброс значений у.
Предложен и применен метод сравнения поляризационных параметров бомб Эллермана, наблюдавшихся в разное время и на разных расстояниях от центра диска Солнца. Показана связь между изменением поляриметрических параметров и временем жизни бомб Эллермана.
Проведено сопоставление данных наблюдений с результатами теоретических расчетов и сделано предположение о том, что усы, в которых была обнаружена значительная поляризация в центре линии На, возникли в результате бомбардировки атома водорода пучками высокоэнергичных электронов, сделана оценка их энергии.
Получены свидетельства в пользу существования по крайней мере двух механизмов, возбуждающих свечение усов - теплового и нетеплового.
Создан комплекс программ для интерактивного языка IDL, используемый при обработке спектро- поляризационных наблюдений, получаемых с помощью спектрографа БСВТ.
Научная и практическая ценность работы:
Разработанный пакет программ для обработки спектро-поляризационных наблюдений, получаемых с помощью спектрографа БСВТ, позволяет получать значения относительной интенсивности спектральной линии, параметры линейной поляризации Стокса Q и U и, следовательно, степень поляризации Р и азимут плоскости поляризации у.
Разработанный метод сравнения поляризационных параметров для бомб Эллермана, наблюдавшихся в разное время и на разных расстояниях от центра диска Солнца и между собой, с результатами теоретических расчетов позволил показать существование динамики во взаимоотношении между степенью поляризации и азимутом плоскости поляризации в усах.
Получены обширные наблюдательные доказательства того, что разные механизмы возникновения усов проявляются в величине и форме параметров Стокса.
Выявлено существование по крайней мере двух механизмов, возбуждающих свечение усов - теплового и нетеплового, что характеризует роль и место этих образований в понимании процессов, связанных с нагревом хромосферы в АО.
Основные результаты, выносимые на защиту:
-
Достоверное свидетельство присутствия ударной линейной поляризации в центре линии водорода На, полученное на значительном объеме спектро- поляризационных наблюдений бомб Эллермана (175 объектов).
-
Обнаружение существования связи между максимальной за все время наблюдения степенью поляризации и распределением азимута плоскости поляризации у вдоль дисперсии.
-
Вывод о существовании связи между динамикой поляризационных параметров и продолжительностью времени жизни бомб Эллермана, сделанный в результате исследования полученных на БСВТ длительных временных серий наблюдений усов (до 40 минут) с хорошим пространственным и временным разрешением.
-
Вывод о нетепловом механизме возбуждения - бомбардировке хромосферы пучками энергичных электронов - части усов с обнаруженной степенью поляризации > 3%.
-
Предварительный вывод о возможности объяснения возникновения разных бомб Эллермана двумя механизмами: тепловым и нетепловым.
-
Комплекс программ для интерактивного языка IDL, используемый при обработке спектро- поляризационных наблюдений, получаемых с помощью спектрографа БСВТ.
Апробация работы.
Результаты исследований представлялись на конференции ADASS'97 (Сонсофен, Германия, 1997); конференции Европейского астрономического общества JENAM-98, (Прага, Чешская Республика, 1998); научной сессии молодых ученых "Гео и гелиофизические исследования", (Иркутск, Россия, 1998); 2-ой Международной рабочей группе по Солнечной поляризации (Бангалор, Индия, 1998); конференции Европейского астрономического общества JENAM-2000 (Москва, Россия, 2000); конференции памяти Г.В. Куклина "Солнечная активность и ее земные проявления" (Иркутск, Россия, 2000); Всероссийской астрономической конференции (Санкт-Петербург, Россия, 2001); 10-ой
Европейской конференции по физике Солнца (Прага, Чешская Республика, 2002); 3-ей Международной рабочей группе "Солнечная поляризация" (о. Тенерифе, Испания, 2002), а также регулярно обсуждались на семинарах отдела физики Солнца СО РАН.
Публикации.
По теме диссертации всего опубликовано 17 работ (в том числе 11 в международной научной периодике), 7 публикаций выполнены без соавторов; материалы диссертации также содержатся в научно-исследовательских отчетах ИСЗФ СО РАН и отчетах по грантам РФФИ.
Личный вклад автора.
Основные результаты являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при непосредственном его участии. Все использованные в работе наблюдения бомб Эллермана на БСВТ в 1998-1999 гг. получены при участии автора. Комплекс программ для обработки спектро- поляризационных наблюдений для интерактивного языка IDL был создан при непосредственном участии автора. При выполнении работ, опубликованных в соавторстве, автор участвовал в постановке задачи, обработке наблюдений и интерпретации результатов.
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из 4-х глав, введения и заключения. Объем диссертационной работы составляет 124 страницы, в тексте содержится 32 рисунка и 3 таблицы. Список литературы содержит 113 названий.